基于Zigbee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在鐵路上的新應(yīng)用

林春梅，楊 云，黃祖寧，朱賢浩，聶敏林，張 旭

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和鐵路的飛速發(fā)展，不同類型的鐵路沿線自然災(zāi)害也在發(fā)展、變化，特別是重大、特大災(zāi)害事故如泥石流、山洪發(fā)生的頻率越來(lái)越快，處置的難度越來(lái)越高，給人們的鐵路安全出行等帶來(lái)極大影響?，F(xiàn)代社會(huì)的鐵路沿線需要建立一個(gè)有效而可靠的安全保障系統(tǒng)，提高監(jiān)測(cè)和預(yù)警各類自然災(zāi)害的能力。下文在研究傳感器網(wǎng)絡(luò)在鐵路領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為無(wú)線通信方式的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是對(duì)自然災(zāi)害在沿線鐵軌造成的側(cè)移量、覆蓋量和下沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 Zigbee技術(shù)

Zigbee是基于 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議的一種中短距離的雙向無(wú)線通信技術(shù)，可以嵌入各種設(shè)備，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間接性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，如數(shù)據(jù)采集、工業(yè)監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、安防、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等。它是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，通信距離可以無(wú)線擴(kuò)展。

Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)：

（1）低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)普通5號(hào)干電池可使用半年到2年。

（2）低成本。Zigbee模塊的初始成本約6美元，而且還在降價(jià)，Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

（3）可靠性。使用了免碰撞機(jī)制和重發(fā)機(jī)制，同時(shí)預(yù)留了專用時(shí)隙需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)，避免了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)競(jìng)爭(zhēng)和沖突，MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee是一個(gè)由可多到65 500個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，每一個(gè) Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊可以互相通信。

（5）時(shí)延短。通常時(shí)延為 15～30 ms，喚醒休眠狀態(tài)和通信時(shí)延的時(shí)延都很短，適應(yīng)于對(duì)實(shí)驗(yàn)要求苛刻的應(yīng)用。

（6）安全性高。協(xié)議簡(jiǎn)單，采用了 AES-128的加密算法。

Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)體積小、數(shù)量大，布局十分方便，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效都不會(huì)對(duì)整體任務(wù)的完成造成致命性影響，另外，它可實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)傳輸、自動(dòng)回復(fù)和電源高級(jí)管理，為電子設(shè)備之間提供方便、快速的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee的這些特點(diǎn)使之最適合在鐵路沿線自然災(zāi)害多發(fā)地段進(jìn)行安全、可靠的無(wú)線通信。

2 系統(tǒng)總體方案

通過(guò)鐵路沿線安裝檢測(cè)模塊采集數(shù)據(jù)信息，由Zigbee進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)匯總后再由CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)其工作原理是：微處理器將傳感器采集的信息進(jìn)行分析處理，再將信息通過(guò)通信模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到信息后進(jìn)行相應(yīng)的顯示報(bào)警。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路路況的檢測(cè)及災(zāi)害報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方式，在復(fù)合傳感器內(nèi)采集的數(shù)據(jù)由 Zigbee路由節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至 Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)匯總，通過(guò)有線通信傳送至數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)，將鐵路沿線各個(gè)地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)情況及時(shí)地反饋給監(jiān)測(cè)人員。16～32字節(jié)的數(shù)據(jù)包的傳輸間隔為20～50 ms，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是6層，則從底層的檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)有情況至監(jiān)測(cè)人員接收到信息最多也只需0.3 s。

為了保證即使在惡劣環(huán)境下也能正常傳輸數(shù)據(jù)信息，Zigbee模塊傳輸距離范圍控制為 50～100 m，即表示在某一災(zāi)害多發(fā)地段，假設(shè)該地段內(nèi)的鐵路沿線長(zhǎng)達(dá)1 000 m，則需要十幾個(gè)Zigbee路由器，而最終將數(shù)據(jù)匯總于唯一的協(xié)調(diào)器；而一個(gè)路由器或者一個(gè)協(xié)調(diào)器最多只能直接綁定有限個(gè)路由，這里可以采用路由級(jí)聯(lián)方法，即數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口傳輸至最底層的路由，再通過(guò)路由無(wú)線傳輸一層一層地往上傳，直至傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)。在數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)能夠清晰地反應(yīng)出最底層路由的地址，從而迅速確定事故發(fā)生地點(diǎn)。

就以成昆線中的羊臼河站—小村站段鐵路為例，該鐵路段距離為10 km。從半山腰的小村站到羊臼河站雖然直線距離只有2 km，火車行進(jìn)不用7 min，但因山勢(shì)陡峭，修路時(shí)設(shè)計(jì)成盤山公路樣的線路，需要穿 6個(gè)遂道、跨 6座橋梁，繞道10 km。六渡河展線位于成昆線南端羊臼河－小村之間，展線形式“之”字形。所謂展線，即“展長(zhǎng)線路”的縮略說(shuō)法。一般來(lái)講，展線只出現(xiàn)在因坡度限制或遇特殊地形條件的情況下，犧牲線路順直程度來(lái)?yè)Q取盡可能低的限制坡度，換句話說(shuō)是以長(zhǎng)度換高度，通俗的講就是“盤山鐵路”，平坦地區(qū)基本不存在展線的問(wèn)題。圖2為數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)顯示的羊臼河站—小村站段鐵路路線示意圖。

圖2 羊臼河站—小村站段鐵路線路監(jiān)控界面

Zigbee模塊節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境條件下按 10～100 m布置一個(gè)，當(dāng)然整條線路的節(jié)點(diǎn)布置不需要這么密集，只在事故多發(fā)地段布置密集一些。黑點(diǎn)（即深顏色的點(diǎn)）代表數(shù)據(jù)采集匯聚節(jié)點(diǎn)，白點(diǎn)（即淺顏色的點(diǎn)）代表上一層的路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)上的某一點(diǎn)出現(xiàn)紅色時(shí)，即某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常情況，通過(guò)檢測(cè)傳感器傳輸上來(lái)的信號(hào)就粗略可知是何種自然災(zāi)害，及時(shí)提醒工作人員處理。

2.1 監(jiān)控界面

數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示界面如圖3。啟動(dòng)后顯示各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便查詢、打印和分析研究。當(dāng)環(huán)境參數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，界面進(jìn)行顯示，報(bào)警裝置開始工作，提醒監(jiān)測(cè)人員做相應(yīng)處理。

圖3 監(jiān)控界面截圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)都是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必不可少的硬件設(shè)備，盡管其在系統(tǒng)中的作用各不相同，但它們的硬件結(jié)構(gòu)是一致的，其結(jié)構(gòu)組成包括無(wú)線通信、通信接口和電源（鋰電池）、傳感器和微處理器4個(gè)模塊。

該系統(tǒng)使用的無(wú)線通信芯片是Chipcon公司的CC2530，它的鏈路質(zhì)量高達(dá)102 dB，該通信芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力和高強(qiáng)度的接收靈敏度，還有多種閃存尺寸，4種供電模式，外射集的范圍廣，其中有2個(gè)USART，12位ADC和21個(gè)常用GPIO。協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)庫(kù)操控平臺(tái)間的信息傳遞是通過(guò)CAN總線傳輸?shù)模珻AN總線與計(jì)算機(jī)通信是通過(guò)CAN轉(zhuǎn)USB實(shí)現(xiàn)的，USB是一種速度更快的通信方式。CAN總線由控制模塊和收發(fā)模塊組成，控制芯片采用 SJA1000，該控制芯片一般用于工業(yè)壞境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，具有抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)；而收發(fā)芯片采用 TJA1050芯片，該芯片有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用高速光耦 6N137實(shí)現(xiàn)SJA1000與 TJA1050之間的電氣隔離，保護(hù)控制系統(tǒng)電路，以滿足在最高速率 1 M/s下的電氣響應(yīng)。2個(gè)模塊組成高速穩(wěn)定的CAN傳輸總線，并能最多達(dá)到110個(gè)分支節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的CC2530芯片模擬SPI通信，控制CAN總線控制器。

2.3 Zigbee節(jié)點(diǎn)的軟件流程

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)連接、保持與鄰近節(jié)點(diǎn)間的通信、檢測(cè)鏈路狀態(tài)和擔(dān)當(dāng)部分路由功能。為了降低損耗，采用定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方式。在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置斷點(diǎn)，間歇性采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。由于節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在程序編寫時(shí)，還應(yīng)考慮CC2530和發(fā)射芯片的低功耗運(yùn)行和周期性數(shù)據(jù)傳輸。圖 4是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸流程圖。

圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸流程圖

協(xié)調(diào)器在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用是控制和管理鐵軌沿線的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器的工作流程如圖 5所示，可以看出，整個(gè)過(guò)程的通信依靠 Zigbee技術(shù)完成。

圖5 協(xié)調(diào)器的工作流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

鐵路沿線自然災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)施可以及時(shí)解決地質(zhì)或自然災(zāi)害造成的臨時(shí)調(diào)配的混亂，可以及早合理地進(jìn)行災(zāi)害防御。所以對(duì)鐵路周圍自然災(zāi)害的檢測(cè)具有重大意義，能夠及時(shí)做出防范，減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。Zigbee以其靈活、可靠、易于布置等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將其應(yīng)用于鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)線化，減少鐵路電子設(shè)備連線的復(fù)雜度；低成本；低功耗；可靠性強(qiáng)；網(wǎng)絡(luò)容量大；智能化，各 Zigbee節(jié)點(diǎn)間自動(dòng)搜索建立連接。隨著需求增長(zhǎng)和技術(shù)進(jìn)一步成熟，Zigbee在鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)中會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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